在国家自然科学基金委、山东省自然科学基金委和中国科学院的支持下，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心软物质物理实验室翁羽翔团队（SM6组）在光合捕光体系的能量转移机制方面取得了新的进展。团队应用自行研制的偏振控制二维电子态相干光谱仪，揭示了嗜热蓝藻捕光天线藻蓝蛋白Phycocyanin 620 (PC620) 的共振传能机制。该成果以题为“Incoherent Ultrafast Energy Transfer in Phycocyanin 620 from Thermosynechococcus vulcanus Revealed by Polarization-Controlled Two Dimensional Electronic Spectroscopy”，于2024年8月22日在The Journal of Chemical Physics 杂志发表。中国科学院物理研究所博士生王嘉钰为第一作者，鲁东大学蒲洋和物理研究所翁羽翔为通讯作者。原文链接： https://doi.org/10.1063/5.0222587。
光合作用是地球上最重要的能量转换过程。捕光天线复合体负责光能吸收并将其传递至反应中心，该过程的光量子效率几乎接近100%。由于藻类在水下生存的光照条件较差，其光合机制一直受到广泛关注。
PC620是蓝藻中重要的捕光天线蛋白，单体内包含三个藻蓝胆素分子（α84，β84和β155），形成三聚体后形成α84-β84色素对。PC620与别藻蓝蛋白APC中的α84-β84色素对在结构上极为相似，具有相同的分子间距以及理论预测的分子间耦合强度。翁羽翔团队近期利用二维电子态相干光谱方法证实了APC中的α84-β84色素对存在激子-振动耦合相干，而且可以通过量子相位同步机制显著延长相干态寿命。[Zhu et al., Nat. Commun. 15, 3171 (2024)]，然而以往的实验研究表明， PC620似乎不存在类似于APC中的量子相干态传能路径。
图 1：PC620能量转移模型. 左侧为二维电子光谱实验中四个脉冲的偏振方向，右侧为不同色素之间的能量转移寿命。
二维电子态相干光谱具备高时间分辨率（~10fs），可以直接探测体系内的量子相干现象。由于PC620光谱展宽非常严重，难以直接分辨体系中的能量转移过程。实验采用偏振控制二维光谱，有效消除了光谱扩散的干扰。实验确认了α84向β84，β155向β84和β155向α84的能量转移寿命分别约400fs，6~8 ps和66ps，符合共振传能机制，证实PC620的能量转移是非相干过程。通过分析动力学上的振荡信号，可以确认体系中所有的振动模都起源于分子内的纯振动相干。并通过监测PC620激发态溶剂化过程中的能量弛豫，发现所有的色素分子振动模都参与能量耗散。而在APC中已经确认，参与激子-振动耦合量子相位同步的的振动模不参与激发能耗散。对比两者的色素结构，发现PC620中的α84相比于APC的α84，其吡咯环间的二面角更大。由此可见PC620中α84的扭曲构象倾向于形成局域电子态，APC中α84的平面构象倾向于形成离域电子态。色素对的构象差异（图2）导致其在PC620中无法形成激子对。APC中α84-β84色素对相干态的弛豫时间约500飞秒，PC620中α84-β84激发态振动波包的弛豫时间约为200飞秒，进一步说明APC中量子激子-振动耦合相位同步对量子相干态的保护作用。从而为APC中观测到的激子-振动耦合量子相位同步提供了一个的绝佳反例。
图 2：(a) 左图，PC620 (APC) 中α84（红色）和β84（蓝色）藻蓝胆素的晶体结构，PDB ID 1I7Y (1ALL)，右图：α84和β84四吡咯环结构示意图和相邻吡咯环之间的二面角。(b) PC620 和APC的相干态寿命。